326 |
Глава 14. Фотовольтаические эффекты |
ходу (фиг. 14.1, б). Отметим, что в ходе описанного процесса,носи
тели превращаются в основные и поэтому им приписывают бес конечное время жизни х). Однако разность потенциалов, устано вившаяся в результате разделения полем электронно-дырочных пар, генерированных светом, приложена к р — гс-переходу в пря мом направлении. Следовательно, носители, преодолевающие пониженный барьер Фь — qV, будут инжектированы в другую область, где они превращаются в неосновные носители и реком бинируют. Если р — ?і-переход соединен с внешней цепью, то
6
Ф и г , 14.1, Возникновение фото-э.д.с. в р — п-переходѳ.
можнэ измерить фото-э. д. с. V или, если сопротивление нагрузки мало, фототок; при этом освещенный переход действует как батарея.
Вольт-амперная характеристика перехода описывается урав нением диода:
|
І = І0 ( e x p g - l ) . |
(14.1) |
Ток I |
есть ток инжекции, который течет через переход под дей |
ствием |
прямого смещения V. Величина І 0 представляет |
собой |
«ток насыщения», создаваемый свободными носителями, генери рованными за счет теплового возбуждения.
Свет генерирует избыточные электроны и дырки со скоростью G. Если диод замкнут накоротко, то ток в цепи по существу пред ставляет собой ток, текущий через переход под действием внутрен него поля, т. е. он обусловлен совокупностью всех неосновных носителей, -генерируемых в пределах диффузионной длины от пере хода (мы предполагаем, что диффузионные длины Ье и L h велики по сравнению с шириной обедненных слоев). Другими словами, под действием внутреннего поля происходит не только разделение пар, генерированных в пределах р — п-первхода, но большинство
х) Строго говоря, это утверждение неверно, так как основные носители в этом случае — избыточные (неравновесные).— Прим. ред.
§ 1. Фотовольтаический эффект в р — п-переходах |
327 |
пар, находящихся не далее диффузионной длины от, области, где имеется поле, может диффундировать в эту область и может быть разделено полем, т. е. переход вытягивает оптически генери-
Ф и г. 14.2. Сравнение теоретической вольт-амперной характеристики с экспе риментальными данными для фотодиода на GaAs [1].
рованпые неосновные носители из слоя толщиной в диффузион ную длину. Поэтому ток короткого замыкания равен
Isc = Aq(Le + Lh)G, |
(14.2) |
где А — площадь р — /г-перехода. Отметим, что этот ток корот кого замыкания течет в направлении, противоположном току, который протекает через р — п-переход при прямом смещении.
Если же используется не короткое замыкание, а нагрузка конечной величины, так что фотонапряжение на переходе может достигать значения F, то ток через нагрузку будет меньше тока короткого замыкания из-за утечки зарядов в противоположном направлении в форме тока инжекции. Следовательно, фототок при произвольном фотонапряжении V равен
Z = / Sc - / o [ e x p - g - - l ] . |
(14.3) |
Из этого соотношения можно определить напряжение холо стого хода FQC, положив в (14.3) / = 0. Тогда
(14.4)
328 |
Глава 14. Фотовольтаические эффекты |
|
Зависимость I от V, определяемая соотношением (14.3), показана |
ра фиг. 14.2. |
При увеличении интенсивности света |
возрастают |
и ток короткого замыкания, и напряжение холостого |
хода. Ток |
/ sc, как это видно из выражения (14.2), растет линейно с интен-
Ф и г. 14.3. Зависимость напряжения холостого хода и фототока от интен сивности света [2].
спвностью света, тогда как напряжение холостого хода меняется по логарифмическому закону [формула (14.4)]. Эти зависимости графически представлены на фиг. 14.3.
При увеличении интенсивности света фото-э. д. с. возрастает до тех пор, пока не исчезнет барьер, препятствующий внутренней утечке заряда. Высота барьера представляет собой максимально достижимое значение фото-э. д. с. Последнее поэтому зависит от степени легирования; практически этот предел соответствует ширине запрещенной зоны. Фото-э. д. с., близкие к ширине
запрещенной зоны,- |
были получены |
на р — /і-переходах в |
GaAs, возбуждаемых |
Не — Ne-лазером |
с' плотностью мощности |
ІО3 Вт/см2[3]. |
|
|
2, Спектральные характеристики
Заряды, которые обусловливают напряжение на р — л-пере- ходе, генерируются в процессе поглощения. Все процессы цоглощения, в результате которых возникает хотя бы один свободный носитель (они рассмотрены в § 1— 6 гл. 3) могут приводить к воз-
§ 1. Фотовольтаический эффект в р — п-переходах |
329' |
никиовеишо фото-э. д. с. Можно ожидать, что доминирующим про цессом будет фундаментальное поглощение, которое имеет место' для фотонов с энергией, близкой к
|
|
|
|
|
|
|
ширине |
запрещенной зоны. |
|
|
Поскольку |
в переходе |
имеется |
|
поле, электронно-дырочные пары |
|
могут |
быть |
созданы |
фотонами с |
|
Ф и г. 14.4. |
Фотовольтаический |
эффект, |
|
возникающий |
в результате |
туннелирова |
|
ния с |
поглощением |
фотона. |
|
энергиями, |
заметно меньшими чем E g, в результате |
переходов и |
туннелированием (эффект Келдыша — Франца) (фиг. |
14.4). Дей- |
Ф и г. 14.5. Спектральная зависимость |
фотовольтаического эффекта на |
р — л-переходѳ в |
GaAs0i 85Р0, ls. |
3 3 0 Глава 14. Фотовольтаические эффекты
ствительно, на низкоэнергетическом крае спектральной зависи мости фото-э. д. с. обычно имеется экспоненциальный «хвост» (фиг. 14.5), наклон которого коррелирует с резкостью р — /г-пе- рехода: чем сильнее внутреннее поле, тем дальше в инфракрасную
■область простирается хвост х). Если |
приложить к |
переходу об |
ратное |
смещение, |
то |
измерение |
спектра фотопроводимости пока |
зывает, |
что |
низкоэнергетический край спектра смещается в сто |
|
|
|
|
|
|
рону меньших |
энергий по |
|
|
|
|
|
|
мере увеличения электри |
|
|
|
|
|
|
ческого |
поля |
в |
перехо |
|
|
|
|
|
|
де [4]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фотоны, |
|
обладающие |
|
|
|
|
|
|
большими |
энергиями (та |
|
|
|
|
|
|
кими, что E g<i /гV ^ |
3/zEg), |
|
|
|
|
|
|
генерируют |
горячие носи |
|
|
|
|
|
|
тели. |
|
Соответствующий |
|
|
|
|
|
|
квантовый |
выход |
(число |
|
|
|
|
|
|
Ф и г . |
14.6. Зависимость кван |
|
|
|
|
|
|
тового |
выхода от энергии фо |
|
|
1 • |
2 |
|
|
тона |
в германии |
[5]. |
- і |
о |
з |
а |
Величина |
/іѵ» стоящая под знаком |
|
|
|
Ig h v —► |
|
логарифма, дана в электронволь- |
|
|
|
|
|
|
тах. |
|
|
пар, созданных падающим фотоном) не превышает единицы. Одна ко если горячие носители обладают энергией, достаточной для образования вторичных пар путем ударной ионизации, то ве личина квантового выхода может превысить единицу. На фиг. 14.6
видно, что квантовый выход |
быстро - достигает |
единицы при |
h v = Eg, после чего остается |
постоянным вплоть |
до некоторой |
критической энергии фотона E s, возрастая затем пропорциональ но hv — E s. В германии E g = 0,7 эВ и E s — 2,2 эВ.
При измерении спектральной зависимости фотовольтаиче ского эффекта необходимо учитывать поглощение излучения в об ласти, где нет поля. Спектр излучения, которое достигает пере хода, может отличаться от спектра излучения, падающего на диод, так как фотоны с большей энергией поглощаются в поверхностном слое. Это обстоятельство оказывается очень важным, когда р — п- переход параллелен освещаемой поверхности и находится от нее на расстоянии, превышающем диффузионную длину. Носители, генерируемые в приповерхностном слое (толщина которого равна
х) J . I . Рапкоѵе, неопубликованные данные,
